개선된 선상 가열 알고리즘 및 변형 시뮬레이션 기반의 선체 외판 가공 정보 산출 시스템 개발

Abstract

선체 외판은 선체의 바깥 껍질을 여러 조각으로 나눈 것을 의미한다. 그런데 선각의 형태에 의해 전개가 불가능한 선체 외판이 존재하게 되고, 조선소에서는 이를 만들기 위해 국부적으로 힘을 가하거나 열을 가해 원하는 모양으로 성형한다. 이러한 선체 외판 가공 과정은 오랜 기간 작업자의 경험에 의해 이루어졌으나, 최근에는 공학적 원리를 기반으로 자동화하려는 다양한 연구를 수행했다. 이러한 자동화 시스템을 개발하려는 시도는 성공적인 결과를 이루었지만 완벽하다고는 할 수 없으며, 분명히 고려되지 않는 부분이 존재한다. 그러한 부분 중 본 논문에서 주목한 부분은 크게 세 가지이다. 선체 외판의 모서리의 개수가 4개인 경우에만 적용이 가능하다는 점과 가열 대상의 계측 정밀도가 매우 높아야만 한다는 점, 그리고 반복이 존재한다는 부분이다. 따라서 이러한 내용을 공학적으로 고려하기 위한 방안에 대해 연구하고 새롭게 시스템을 개발하였다. 실제 선박의 선수부와 선미부에는 모서리의 개수가 4개가 아닌 선체 외판들이 존재한다. 보통 모서리의 개수가 3개이거나 5개이며, 이 경우에도 자동화 시스템을 적용하기 위해서는 모서리의 개수에 관계없도록 시스템을 바꾸어야 하고, 본 논문에서는 기존에 연구된 내용 중 이에 적합한 전개 알고리즘을 선정하고 적용하여 가공 정보를 산출할 수 있도록 수정된 가공 정보 산출 알고리즘을 제안하였다. 추가적으로 이를 위한 분석 과정에서 연산 속도를 향상시킬 수 있는 부분을 찾아 새로운 방법을 적용하였다. 계측 정밀도가 높아야만 적용이 가능하다는 것은 좀 더 상세히 말하면 선체 외판의 설계 정보와 가열 대상의 형상 차이가 작아질수록 계측 정밀도가 중요해진다는 의미인데, 이는 또 하나의 제약 사항이므로 계측 정보의 정밀도가 떨어지는 경우에도 올바른 가공 정보가 산출될 수 있도록 하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 본 논문에서는 기존에는 가공 정보를 평가하는 데에만 쓰이던 변위 차이 곡면을 생성하여 메시 스무딩 기술을 적용하여 해결하고자 하였다. 스무딩 된 변위 차이 곡면은 각 메시 절점의 z좌표값으로 z 방향 변위 값을 대체하는 데 사용되며, 이를 통해 계측 오차의 영향을 줄일 수 있었다. 반복이 존재하는 부분의 원인 중 본 논문에서 집중한 부분은 가공 정보 산출 알고리즘의 계산 결과를 적용하는 과정에서 발생하는 변형이 고려되지 않는다는 점이었다. 자동화 시스템에서 적용하는 가공 정보는 여러 개를 적용한 후에 문제가 발생하므로 변형 과정 중의 실시간 형상 예측이 아닌 몇 개의 가공 정보를 적용한 후에 변형된 형상을 예측하는 방향으로 연구를 진행하였다. 이를 위해서 여러 변형 해석 방법 중 열팽창계수를 응용한 고유변형도 기반의 변형 해석법을 선정하였고, 이를 적용하기 위한 메시를 자동으로 만들기 위해 가공 정보를 고려할 수 있는 수정된 페이빙 방법을 제안하였다. 본 논문에서는 세 가지 큰 주제에 대해 공학적인 해결 방안에 대해 연구하였고, 그 결과를 하나의 자동화 시스템으로 묶어 제안하였다. 스무딩이 필요한 조건 하에서는 변위 차이 곡면을 스무딩하는 과정을 포함한 변위 계산을 진행한다. 또한 산출된 가공 정보의 양이 많은 경우에는 먼저 가열 순서에 따라 적용할 가열선을 고른 후, 변형 시뮬레이션을 수행한다. 나머지 가공 정보는 시뮬레이터를 통해 예측한 변형 형상에 적합하게 바꾼 후 가공 정보로 제공된다. 이 모든 기능이 모서리의 개수에 관계없이 적용이 가능한 시스템을 제안하였다. 제안하는 시스템은 오픈 소스 코드들을 사용하여 실제로 구현해 보았으며, 구현된 결과를 확인하기 위해 실제 선체 외판의 설계 정보를 시스템에 적용해 보았다. 계측 정보가 없으므로 계산된 전개 형상과 롤라인을 고려하여 실린더 형상을 계산한 후 이를 계측 형상으로 사용하였고, 모서리 개수에 관계없이 가공 정보를 산출하는 것이 가능함을 확인하였다. 또한 변형 시뮬레이터를 적용한 결과, 실제로 계측 곡면이 변형되었는지를 확인하기 위해 변형 후 형상을 계측 곡면으로 삼아 새롭게 가공 정보를 산출하고 변화된 가공 정보를 확인하였다. 그리고 변위 차이 곡면을 스무딩하는 기능을 확인하기 위해 실제 문제가 되었던 계측 형상에 적용하여 가공 정보가 올바르게 나오는 것을 확인하였다.

The hull shell plates mean that the outer shell of the hull is divided into several pieces. However, some hull shells are not be developable because of the shape of the hull. To fabricate it, the shipyard applies locally force or heat to form the desired shape. This process of shell plate forming has been done for a long time by the experience of the operator, but at the same time, researchers have done various studies to automate based on the engineering principle. Attempts to develop such an automation system have been successful, but not perfect, and there is clearly a lack of consideration. Of these parts, there are three main points of attention in this paper. It is applicable only when the number of corners of the outer shell of the hull is four, the measurement accuracy of the heating object must be very high, and the process is iterative. Therefore, a new system has been proposed. The number of corners of the shell plate on the fore and aft parts of the ship may not be four. In this case, to apply the automation system, the system should be changed to be independent with the number of corners. In this paper, the unfolding algorithm that suitable for the modification is selected and applied. We proposed a modified the algorithm for calculating fabrication information. In addition, a new method is proposed to improve the computation speed in the analysis process. The fact that it can be applied only if the measurement accuracy is high means that the accuracy of measurement becomes important as the shape difference of the designed shell plate and the heating object becomes smaller. Since this is another limitation, this paper conducted the research for correct fabrication information can be calculated even if the accuracy of measurement information is low. In this paper, this problem is solved by applying the mesh smoothing technique to generate the displacement difference surface which was used only to evaluate the fabrication information. The smoothed displacement difference surface is used to replace the displacement values in z direction with the z coordinate values of each mesh node, and the influence of the measurement error can be reduced with this process. Among the causes of repetition, the focus of this paper is that the deformation that occurs in the process of applying the automation system is not considered. Since this problem occurs after applying some fabrication information, we have studied to predict the deformed shape after applying some fabrication information rather than real-time shape prediction during the transformation process. For this purpose, the deformation analysis method based on the inherent strain, which applies the thermal expansion coefficient among several deformation analysis methods, was selected and a modified paving method that can considering heating line was proposed to automatically make the mesh for the deformation analysis. In this paper, a solution for three major topics was studied, and the results were proposed as one automation system. Under the condition that smoothing is necessary, the displacement calculation including the process of smoothing the displacement difference surface must be carried out. Also, when the amount of the calculated fabrication information is large, the heating lines are selected according to the heating sequence, and the deformation simulation must be performed. The remaining heating lines are converted to a predicted deformed shape through a simulator. All these functions can be applied regardless of the number of corners. The proposed system was implemented using open source library and we applied the design information of the actual hull shell to the proposed system to validate the automation system. Since there is no measurement information, the cylinder shape was calculated using the unfolded shape and the roll line, and then used the cylinder shape as the measurement shape. This function was also able to calculate the fabrication information regardless of the number of corners. In addition, to confirm whether the measured shape was deformed by applying the deformation simulator, the predicted deformed shape was used as the new measured surface to calculate a new forming information, and the new information was different from the previous information. Also, to confirm the function of smoothing the displacement difference surface, we confirmed that the fabrication information is corrected by applying it to the measured surface which was the problem.